KR20000043359A - 혼합 폐합성수지를 이용한 목재 대체소재의 제조방법과 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반가정 및 산업체에서 발생하는 각종 폐플라스틱 또는 섬유류를 포함한 폐합성 수지를 선별하여 금속류, 목재류 등 전혀 다른 이질성분의 물질만을 제거한 후 분쇄 및 세척하고 이를 건조시켜 미량의 상용화제 및 발포제 등의 첨가제를 혼합하여 온도구배에 따른 압출기를 통해 용융시키고 이를 사출방식인 어큐뮬레이터 내부에 충진시킨 후 고속충진 방식으로 원하고자 하는 금형내부에 사출시켜 냉각후 취출시키는 폐합성수지를 이용한 목재 대체소재의 제조에 관한 것으로,

일반 생활폐기물 및 사업장에서 배출되는 폐합성수지만을 선별 분리하여 분쇄, 세척, 건조 및 가열한 일정량을 저장조(ACCUMULATOR)에 항온으로 유지시킨 후 금형 내부로 압,사출이 병행된 고속 진공충진기법을 이용하여 단일공정으로 충진시켜 제품의 형상을 진공상태로 유지냉각시킴으로서 표면이 평탄하고 작업성 및 가공성이 우수하면서도 탁월한 내구성, 재활용성, 환경친화성을 가지도록 한 것을 특징으로 하는 혼합 폐합성수지를 이용한 목재 대체소재의 제조방법과, 압출기(1) 측면에 사출피스톤(7)이 내장된 저장조(6)를 설치하여 압출유니트(4) 및 연결관(5)으로 연결시키고 저장조(6)의 사출유니트(8)측에는 수냉탱크(11)를 설치하여 그 내부에 로타리성형장치(9)를 축설내장하며 상기 로타리성형장치(9)에는 다수의 제품성형 금형(1O)을 설치한 것이다.

Description

혼합 폐합성수지를 이용한 목재 대체소재의 제조방법과 그 장치

본 발명은, 폐합성 수지를 이용한 목재 대체소재 및 그의 제조기술에 관한 것이다.

오늘과 같은 산업화된 고도 기술사회에서 각종 생활용품 등을 제조하는 플라스틱의 역할은 산업 및 일상생활에 이르기까지 광범위하게 이용되어 매일같이 엄청난 양의 폐플라스틱들이 폐기물로 배출되고 있다.

그러나 기존의 플라스틱은 그 특성상 썩거나 쉽게 분해되지 않는 성질 등으로 인하여 매립시 토양의 황폐화와 함께 의 안정화를 저해할 뿐만 아니라 매립용량의 과다 여러 문제점들이 야기되고 있으며, 소각 시에는 첨가제에 의한 각종 중금속 및 유독가스의 발생으로 환경에 미치는 악영향이 크므로 이에 대한 대체연구와 개발이 부분적으로 진행되어 왔다.

이러한 폐플라스틱의 재활용기술은 크게 나누어 물리적 공정만을 거쳐 다시 재료로 재활용하는 기계적 재활용과, 화학적으로 변화시켜 재활용하는 화학적 재활용 그리고 에너지자원으로 이용하는 에너지적 재활용으로 구분할 수 있다.

이중 기계적 재활용은 폐플라스틱을 다시 플라스틱 수지로 이용하는 기술로써 재활용 기술 중 소비에너지 측면에서 가장 환경 친화적인 재활용 방법이라고 할 수 있다.

그러나 폐플라스틱의 기계적 재활용을 위해서는 순수단일성분의 재료화가 재활용의 관건으로 요구되고 있으며, 이를 위해 공정상 선별분리, 분쇄, 세척, 건조등 복잡하고 까다로운 과정들을 거쳐야 하는 번거로움과 각 과정별로 많은 기술이 요구되어 그 비용면에 있어서도 과중한 투자부담으로 작용하고 있는 것이 현실이다.

무엇보다 폐플라스틱은 화학적으로 2가지 이상이 혼합되면 상분리가 일어나 플라스틱의 물성 저하는 물론 가공 및 사용상에 많은 문제점들을 야기시킨다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 다양한 기능의 상용화제(Compatibilizers)들이 개발, 시판되고 있다.

따라서 종래의 기술들은 사용량이 많고 비교적 분별이 쉬운 제품에 대한 한정적 재활용과 2∼3가지의 한정된 혼합을 통한 상용화제 사용으로 비용의 증가 및 물성적 저하로 인하여 상품화에 성공하지 못하는 등의 어려운 여러 가지 단점들이 있었다.

본 발명에서는 갈수록 발생량이 증가하고 있는 일반 생활폐기물 또는 산업폐기물에서 발생되는 폐플라스틱을 세밀한 선별분리과정 없이 이를테면 고철류,목재류 등과 같은 전혀 다른 성질의 물질들을 제거하는 선별 분리과정만을 거쳐서 혼합하여 단일공정을 통한 제품제조시 공정속도가 빠르고 경제적이면서도 내구성이 우수한 혼합 폐합성 수지를 이용한 목재 대체소재 및 그의 제조기술을 개발하고져 함에 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술은 일반 생활폐기물에서 발생하는 혼합된 폐플라스틱을 정밀 선별과정 없이 일괄 분쇄하여 세척,건조시킨 후 미량의 개질제 및 발포제를 혼합하여 고속 충진공정(압출,사출 단일공정)을 통하여 단순금형 보다 다양한 형태 즉 원기둥, 사각기둥 등의 각상 또는 판상의 형태를 핀금형 내부로 용융상태의 폐합성 수지를 충진시켜 각종 합성수지 혼합에 의한 상분리를 차단하는 한편 제품의 물성 저하를 막고 경량화를 도모하기 위하여 내부에 완충구조인 미세한 다량의 구멍(Cell)을 형성시켜 충격흡수 특성 등 내구성이 우수한 목재 대용의 합성수지 소재를 제조하는 기술을 그 해결과제로 삼고 있다.

도 1 은 본 발명의 실시에 사용되는 압출 및 사출성형장치의 평면도

도 2 는 도 1의 측면도

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

1:압출기

2:스크류

3:호퍼

4;압출유니트

5;연결관

6;저장조

7;사출피스톤

8;사출유니트

9;로타리성형장치

10;성형금형

11;수냉탱크

12;진공펌프

본 발명은 폐합성 수지의 재활용에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일반가정 및 산업체에서 발생하는 각종 폐플라스틱 또는 섬유류를 포함한 폐합성 수지를 선별하여 금속류, 목재류 등 전혀 다른 이질성분의 물질만을 제거한 후 분쇄 및 세척하고 이를 건조시켜 미량의 상용화제 및 발포제 등의 첨가제를 혼합하여 온도구배에 따른 압출기를 통해 용융시키고 이를 사출방식인 어큐뮬레이터 내부에 충진시킨 후 고속충진 방식으로 원하고자 하는 금형내부에 사출시켜 냉각후 취출시키는 제조공법이다.

따라서 이러한 공정을 통하여 여러 종류의 합성수지에 의한 상분리를 막고 제품 내부에 완충구조인 미세한 다량의 구멍(Cell:공기주머니)을 형성시켜 제품의 경량화와 충격흡수특성 등 내구성이 우수한 원기둥, 사각기둥 또는 판상의 형상 제품으로 하는 목재 대체소재로 개발, 건축용 내외장재, 축사, 공장배수로, 울타리, 벤치, 놀이터 시설, 하천 및 비탈면 토목공사용 등으로 이용하기 위한 폐합성수지의 재생이용법에 관한 것이다.

본 발명의 성형장치를 도 1 및 도 2에서 예시한다.

즉, 압출기1는 내부에 스크류2가 장설되어 호퍼3를 통하여 폐합성수지를 공급 및 압출하는 통상의 구성으로 되어있다.

스크류2의 가열히터는 재료공급쪽이 저온으로 배출쪽이 고온으로 하는 온도 구배로 폐합성수지 재료를 응융시킴으로서 합성수지 종류에 따른 융점의 상이에도 불구하고 단계적인 용융이 가능하도록 배려한다.

압출기1의 후방에는 압출유니트4를 연결관5으로 연결하여 압출기1의 측방에 설치한 저장조(Accumulator)6측으로 용융재료를 공급하도록 구성하고, 저장조6에는 사출장치인 피스톤7을 후방으로 장설하여 저장조6에 일정용량의 용융수지가 모이면 이를 사출유니트8를 통하여 성형금형10속으로 용융수지를 사출하여 제품을 제조하는 구성으로 된다.

그리고 성형금형10은 복수조로 구성하여 이를 수냉탱크11속에서 로타리성형장치9에 의해 제품이 단계적으로 사출성형되고, 성형된 제품은 수냉탱크11내에서 수냉되어 일측방에서 성형금형10으로부터 수거하게 함으로서 폐합성수지를 압출스크류2에 의해 용융하고 저장조6에서 사출피스톤7에 의해 사출하여 로타리성형장치9에서 연속 수거하는 일괄공정으로 제품생산라인을 구성한다.

종래의 선행된 기술로는 플라스틱 혼합 폐기물을 그 성상별로 종류에 따라 선별 분리하여 재사용하거나 상호 상분리가 일어나지 않는 2∼3가지의 합성수지를 혼합하여 저급의 제품을 생산하는데 불과하였다.

특히, 일본국 공개 특허공보 소 52-23179에서는 경질염화비닐 수지(PVC),폴리에틸렌 수지(PE)등의 폐수지를 분쇄, 가열, 용해 후 펠렛트(Pellet:알갱이 모양)화하고 이 펠렛트의 용해온도와 동일조건에서 신 원료인 강인성 수지(PP,PE)를 혼련한 후 사출 또는 프레스 성형하여 관상, 판상 등의 제품으로 활용하고 있다.

또한, 국내 특허 제114720호(특허공보제4755호)(이하 선행기술이라 함)에 있어서는 분쇄후 용해공정을 다단계 압출기에서 용해 온도구배에 따라 순차적으로 용해시키되 수지조성이 균일하게 혼합, 용해되는 상태가 아니라 조성간에 경계면에 따라 이들 조성을 불균일하게 형성하여 강한 결속력으로 결합되게 함으로써 필요로 하는 물성치를 갖는 용도(광상, 판상, 용기)등에 재활용할 수 있다고 되어 있다.

특히 선행기술은 폴리에스테르에 PE, PVC, 나이론, 아크릴수지 등의 폐합성수지를 혼합하여 분쇄한 분쇄물을 다단계 압출기를 통하여 170℃∼200℃ 온도까지 순차적으로 가열하여 용융상태의 페이스트(Paste)상태로 배출하여 냉각시킨 후 이를 다시 분쇄하여 분쇄물 자체를 그대로 사용하던가 또는 제품의 성질에 따라 여기에 신소재를 넣어 170℃∼260℃ 온도로 가열하여 관상이나 판상 또는 용기형상의 성형품을 구성하는 것으로 되어 있으며, 폐수지 원료의 혼합 조성비에 있어서는 특별한 제한이 없고 융점 내지 성질이 상이한 것으로 열가소성수지이면 가능하고, 이의 사용 목적에 따라 적량 배합하여 사용한다고 제시되어 있다.

그러나 선행기술이 표방하고 있는 다단계 압출공정에서는 용융되지 않는 수지가 조성될 수 있을 뿐만 아니라 원료화한 후 재가공이 필요함으로 추가적으로 에너지적 손실은 물론 혼합조성비에 따라 급격한 물성의 저하와 상분리가 필수적으로 일어나 제품화하는데는 많은 문제점을 야기시키게 된다.

무엇보다 신소재를 넣어 원하고자 하는 성형품을 얻고자 하였으나 선행기술의 방식으로는 신소재를 사용용도만큼 강도 및 제품특성을 유지하지 못하였으며, 고분자의 특성상 상분리를 배제한 혼합 조성의 방식은 치명적인 물성상의 결함을 야기하여 재질 특성상 강한 결속력의 결합을 유지할 수 없는 것이다.

따라서 본 발명에서는 개략적인 혼합조성비를 유지하여 단일공정을 통한 제품제조시 공정속도가 빠르고 여러 형상의 제품을 하나의 단일생산라인(Line)에서 제조가 가능하여 경제적이면서도 내구성이 우수하고 비중이 1.0을 넘지 않고 대체적으로 비중0.85∼1.0미만(발포시에는 비중0.3∼0.5이하)을 유지하여 목재대체용으로 사용 가능한 폐플라스틱 재생용품을 조성할 수 있게 한 것이다.

〔실시예 1〕

가정에서 발생하는 폐플라스틱을 수집, 선별하는 매립장의 폐플라스틱을 무작위 표본 추출하여 발생된 폐플라스틱의 성분을 조사한 결과 약 60∼80%는 PE,PP수지로, 나머지 40∼20%는 PS, PVC, ABS, PET, 아크릴수지 등의 다성분으로 구성되어 있었다.

이들 중에서 섞여있는 금속류, 목재류, 종이류 등의 서로 다른 성질의 물질들만을 개략적으로 선별분리하고 분쇄(2∼10메쉬)하여 세척하여 건조시켰다.

건조후 최종 분쇄물의 상태는 PE, PP, PS, ABS, PVC, PET, Acryl, 나이론섬유, 기타의 다성분으로 구성되어 있다.

이 분쇄물을 호퍼를 이용하여 압출기로 유입, 온도구배를 통해 용융시키고, 용융된 수지는 페이스트 상태이며 압출기를 통과한 용융수지는 다시 단일공정의 어큐뮬레이터 내부로 충진되고 충진이 완료된 상태에서 원하는 금형 내부를 진공상태로 고속충진시키는 방식을 선택하였다.

금형은 로터리식으로 회전이 가능하고 여러 형상의 금형이 동시 조립 가능하며, 충진 완료후 자동으로 회전, 물탱크 내부로 수냉시켜 냉각이 완료된 제품을 취출하여 제품화하였다.

그러나 초기 폐합성수지의 혼합 조성비를 원만히 설정하지 못하여 제품의 강도가 급격히 떨어지고 제품 내부에 다공의 기포, 상분리가 일어나는 현상을 초래하였다.

〔실시예 2〕

실시예1에서 폐합성수지의 혼합 조성비 및 압출 온도제어를 제외하고는 실시예1과 동일한 방법으로 시행하였다.

여기서 폐합성수지의 혼합 조성비로는 폴리프로필렌 수지와 폴리에틸렌수지(LDPE:HDPE(50/50))를 각각 최소 50%씩 혼합하여 총중량 대비 66%∼89%로 일정분으로 하고, PET외 기타(5∼10중량%)를 혼합비로 한 후 압출온도는 190℃∼250℃ 범위 내에서 가열하여 성형한 바 내충격성 및 표면이 우수한 제품을 생산할 수 있었으나 성형물의 절단후 단면 분석을 통하여 불규칙적인 다량의 다공이 형성되었고, 부분적인 상분리가 발생하였다.

〔실시예 3〕

실시예2에 대하여 동일한 폐합성수지의 혼합 조성비를 바탕으로 동일한 공정방법으로 개질제 및 발포제를 사용하였으며, 개질제로서는 동진메카트로닉사의 GP-301상품명을 0.8∼1,2중량% 및 발포제로서는'주식회사조양'의 중조무기 발포제 HD30을 0.5∼0.8중량%를 첨가하여 컴파운팅한 다음 사용하였다.

〔비교예 1〕

실시예1의 혼합비를 바탕으로 일반 압출기 및 사출기를 각각 사용하여 내경 50mm, 길이 300mm의 원기둥으로 성형물을 얻었다.

〔비교예 2〕

실시예2를 바탕으로 일반 사업장에서 발생하는 저급의 신제를 사용하여 동일한 혼합비로 고속진공충진기법을 사용하여 성형물을 얻었다.

〔비교예 3〕

실시예3에 개질제만을 첨가하거나 발포제만을 첨가하여 컴파운팅한 후 고속진공충진기법을 사용, 성형물을 얻었다.

개질제로서는 GP-301,305,505를 사용할 수 있으며, 발포제로써는 무기발포제 Cellcom-HD30, Cellcom-AC, Cellcom-AC5000FX를 사용할 수 있다.

〔적용예 1〕

실시예1∼3 및 비교예1∼3에서 얻어진 원기둥을 작업성, 가공성, 내구성, 경제성면에서 평가하여 표 1에 나타내었다.

여기서 내구성 시험은 한국신발, 피혁연구소의 신소재 연구팀의 위탁연구결과를 바탕으로 한 것이며, 이를 통하여 인장강도, 신율, 굴곡강도, 충격강도, 경도, 비중 및 구조분석 등을 종합검토한 결과 여러종의 페합성 수지들 중 폴리에틸렌(LDPE＜HDPE) 및 폴리프로필렌(PP)수지를 주축으로 다른 폐합성수지가 혼합되어 구조적으로 불균일하게 결합되어 있는 것을 확인하였다.

특히, 일부 이물에 의하여 동 성형온도에서 용융되지 않는 수지 및 전혀 다른 성분이 부분적으로 존재하기는 하지만 개질제에 의한 조직의 강한 결속력을 유지하면서 발포제에 의해 수지 중심부에 밀집한 미세기공이 형성되어 필요로 하는 물성치를 얻을 수 있었다.

구 분	실시예1	실시예2	실시예3	비교예1	비교예2	비교예3
작업성	X	△	Ｏ	XX	◎	Ｏ
가공성	X	△	Ｏ	X	◎	Ｏ
내구성	X	△	◎	XX	△	△
경제성	△	Ｏ	◎	△	X	△

주) ◎는 매우 우수, ○는 우수, △는 보통, X는 나쁨, XX는 아주나쁨을 나타낸다.

본 발명의 제조방법에 의해 제조되는 제품의 사용효과는 다음과 같다.

① 환경오염원 중의 하나인 폐플라스틱의 재생을 통한 환경오염방지 및 폐기물 자원화를 통한 고부가가치의 제품 창출효과,

② 합성목재, 토목자재, 보도블럭, 말뚝, 방음벽, 놀이터 시설, 도로 가드레일등의 제조에 이용함으로써 다양한 용도의 개발과 향후 수출기대 효과,

③ 건축용 내외장재, 실내장식재의 부분에서 목재를 대체함으로써 목재소비의 절감 및 재생을 통한 석유화학제품의 수입대체효과,

④ 소재의 경량화로 작업자의 작업성이 향상됨과 동시에 규격화된 제품의 생산으로 목재와 같은 2차 가공의 불필요로 생산성 향상 효과,

⑤ 폐플라스틱 재활용기술의 상품화로 관련 기술 자체의 수입대체 및 수출효과,

⑥ 성형공정의 핵심기술인 압출. 발포제어기술의 타산업에 적용, 응용효과,

⑦ 소비자의 분리수거 필요성 고취 및 의식의 전환을 통한 분리수거 생활화 정착유도.

본 발명에 의하여 제조되는 제품을 목재의 특성과 상호대비 하여 보면 다음의 표 2와 같다.

구 분	특 성
	본 발명에 의한 제품	기 존 목 재(WOOD)
외 관	다양한 Color는 제한적으로 생산가능하며, 외관상 표면의 효과는가공공정으로 조절가능함	다양한 Color를 내기 위해서도색등의 부수적 공정이 필요며,외관상 표면은 우수함(가공후)
내부식성	축사, 하천, 폐수로 인한토양오염 접촉 하에서도 썩지않으며 반영구적 사용이가능함	축사, 폐수, 토양내 수분접촉시 자연부식(썩음)이발생하여 지속적인 사용이불가능
내 후 성	대기노출시 눈, 비, 습도, 자연광 하에서 물성적 기능이 쉽게 변화되지 않음	대기노출시 자연부식 또는물성적 기능이 변화되거나비틀림 현상이 발생
내충격성	내충격성이 우수하며, 연성적탄성효과가 있음	목재의 종류에 따라 차이가있으나 견고한 편임
가 공 성	못, 톱, 드릴등에 의한 가공이자유로우며, 못박음에 의한갈라짐이 없음	가공이 자유롭고 외관성이 양호하나 못박음에 의한 갈라짐이 발생할 수도 있음
내 열 성	단열, 내열성이 우수하며 화재에 의한 유독가스 발생	단열, 내열성이 우수하고 화재시 유독가스 발생 없음
재활용성	사용후 회수, 재활용이 지속가능함 (가공비용이 저렴함)	사용후 회수, 재활용이 어렵고 연속 재사용이 불가능.(가공비용의 과다 소요)
환경보호효 과	폐플라스틱으로 기존 폐기물을자원화한 것으로 환경친화적인효과가 큼	목재의 생산을 위해 산림자원을 이용함으로써 자연환경훼손 야기
기 타	비중 : 0.95 ∼ 1미만물에 뜨며 흡수율 극미수입절감, 수출증대효과	비중 : 0.45 ∼ 0.92물에 뜨나 흡수율이 큼

상술한 바와 같이 본 발명은 플라스틱의 소비증가로 인해 산출되는 막대한 량의 폐플라스틱을 매우 간단한 제조공법 및 장치로서 재활용이 가능한 각종 목재대용품, 토건용품, 건축용품, 장식재 등 다양한 산업자원으로 재활용할 수 있는 환경보전 및 자원절약적 측면에서 매우 유용한 발명이라 할 수 있다.

Claims (4)

1. 일반 생활폐기물 및 사업장에서 배출되는 폐합성수지만을 선별 분리하여 분쇄, 세척, 건조 및 가열한 일정량을 저장조(ACCUMULATOR)에 항온으로 유지시킨 후 금형 내부로 압,사출이 병행된 고속 진공충진기법을 이용하여 단일공정으로 충진시켜 제품의 형상을 진공상태로 유지 냉각시킴으로서 표면이 평탄하고 작업성 및 가공성이 우수하면서도 탁월한 내구성, 재활용성, 환경친화성을 가지도록 한 것을 특징으로 하는 혼합 폐합성수지를 이용한 목재 대체소재의 제조방법
2. 제 1 항에 있어서,

   폐 폴리프로필렌수지 및 폴리에틸렌수지를 65%∼75% PS, ABS, PVC, PET, 폐목분, 폐섬유류 등을 35%∼25%의 중량비율로 하여 혼합한 후 성형온도 210℃에서 250℃까지 압출, 용융시켜 수지 조성간의 경계면에 따라 불균일성을 바탕으로 강한 결속력이 유지되게 함을 특징으로 하는 혼합 폐합성수지를 이용한 목재 대체소재의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   개질제로 에폭시 몰드계로 1.0∼1.2중량% 및 중조무기발포제로 아조디카본아미드계 0.5∼ 0.8 중량%를 특징으로 하면서 서로 다른 수지 조성간에 강한 결속력과 성형물 중심부에 미세한 다량의 기공을 형성시켜 그 비중이 0.6∼0.9미만으로 되는 경량성과 내충격성을 갖는 것을 특징으로 하는 혼합 폐합성수지를 이용한 목재 대체소재의 제조방법.
4. 폐합성수지의 압출 및 사출 재생장치를 구성함에 있어서, 통상의 압출기1의 측면에 사출피스톤7이 내장된 저장조6를 설치하여 압출유니트4 및 연결관5으로 연결시키고 저장조6의 사출유니트8측에는 수냉탱크11를 설치하여 그 내부에 로타리성형장치9를 축설내장하며 상기 로타리성형장치9에는 다수의 제품성형 금형1O을 설치하여 용융수지 충진 직전까지 금형10 내부를 진공상태로 유지시킨 후 폐합성수지를 압출 및 사출연계 작업으로 연속성형함을 특징으로 하는 혼합 폐합성수지를 이용한 목재 대체소재의 제조장치.